Kỹ thuật chiếu xạ pha tạp đơn tinh thể Silic (NTD-Si) dùng neutron nhiệt trên các lò phản ứng nghiên cứu đã và đang được triển khai có hiệu quả trên thế giới. Kỹ thuật NTD-Si được triển khai ở mức thương mại chủ yếu trên các Lò Phản ứng (LPƯ) nghiên cứu có thông lượng neutron nhiệt đạt chất lượng. Về kỹ thuật và chất lượng tinh thể Silic sau khi pha tạp, việc chiếu xạ trên LPƯ dùng neutron nhiệt có lợi thế là đơn giản trong kỹ thuật và đảm bảo chất lượng về độ bất đồng đều theo chiều cao và bán kính của thỏi Silic được chiếu. Tuy nhiên kích thước lớn của thỏi đơn tinh thể Silic (lớn hơn 30cm) sẽ rất khó thực hiện. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của NTD-Si là đảm bảo độ đồng đều về thông lượng neutron nhiệt theo bán kính và chiều cao của cốc chiếu. Hiện nay, yêu cầu thị trường đối với độ bất đồng đều chiếu xạ trong khoảng ± 5 ~ 8% tùy thuộc vào kích thước khối tinh thể. Trong các LPƯ nghiên cứu, phân bố thông lượng neutron nhiệt thường không đồng đều theo cả chiều cao và chiều bán kính tại các kênh chiếu xạ. Do đó, những can thiệp để làm đồng nhất phân bố thông lượng neutron nhiệt trong các cốc chiếu là rất cần thiết.

Nhằm đáp ứng yêu cầu trong việc khai thác có hiệu quả lò nghiên cứu mới tại Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân (RCNEST), nghiên cứu chiếu xạ Silic là một trong những hoạt động triển khai có thể đóng góp một phần vào ngân sách vận hành LPƯ. Triển khai thành công kỹ thuật chiếu xạ Silic sẽ mang lại giá trị kinh tế trong việc khai thác LPƯ nghiên cứu mới. Xuất phát từ yêu cầu này, việc thử nghiệm chiếu xạ NTD-Si trên Lò Đà Lạt là những bước cần thiết nhằm có thể có những hiểu biết tốt hơn trong lĩnh vực triển khai này do vậy nhóm nghiên cứu Viện Nghiên cứu Hạt Nhân do ThS. Phạm Quang Huy đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, chiếu xạ thử nghiệm pha tạp đơn tinh thể Silic trên Lò Phản ứng hạt nhân Đà Lạt”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm đề tài đưa ra kết luận như sau:

Việc vận hành LPƯ Đà Lạt phục vụ thử nghiệm chiếu xạ pha tạp đơn tinh thể Silic theo hai phương pháp sử dụng màn chắn và tráo đầu tuyến tính đã được thực hiện. Do LPƯ Đà Lạt không có các trang thiết bị chuyên biệt để đo kiểm tra điện trở suất các thỏi Silic nên việc nung, cắt và đo kiểm tra điện trở suất các mẫu được thực hiện chủ yếu tại các phòng thí nghiệm thuộc Khoa Khoa học Vật liệu, Trường ĐHQG Tp HCM. Các kết quả thực nghiệm thu được trong quá trình xử lý các mẫu Silic sau chiếu xạ bao gồm việc xác định thời gian, nhiệt độ nung mẫu phù hợp và xác định điện trở suất của các mẫu sau quá trình xử lý nhiệt đã được mô tả chi tiết trong nội dung của báo cáo này.

Các kết quả tính toán và thực nghiệm trước khi chiếu xạ thực tế trên Silic đều cho thấy bất đồng đều thông lượng neutron nhiệt chiếu xạ theo chiều cao tại các cốc chiếu sử dụng màn chắn và tráo đầu tuyến tính là khoảng 5%. Tuy nhiên, độ lệch điện trở suất của các mẫu silic đo được theo chiều cao sau khi chiếu xạ thử nghiệm Silic nằm trong khoảng 20%, lớn hơn nhiều so với tính toán là 5%. Giá trị điện trở suất đo được khá cao tại vùng giữa của cốc chiếu trong khi giảm dần ở các vị trí ở đầu và cuối cốc chiếu. Nếu xét sai số cực đại của thực nghiệm xác định phân bố thông lượng neutron nhiệt trên các cốc chiếu xạ theo chiều cao trong khoảng 6%, sai số xác định điện trở suất của các mẫu Silic khoảng 3% thì giá trị bất đồng đều điện trở suất khoảng 20% như kết quả thu được của các mẫu Silic sau chiếu xạ chủ yếu do đóng góp của hiệu ứng chiếu xạ của neutron nhanh tại vùng giữa của các cốc chiếu. Tỷ số thông lượng neutron nhiệt/nhanh thấp tại vùng giữa các cốc chiếu đã ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể Silic, kết quả là điện trở suất của mẫu bị ảnh hưởng.

Trên thực tế, Bẫy neutron và các vị trí chiếu xạ ướt trong LPƯ Đà Lạt không được thiết kế để phục vụ NTD-Si, điều này đặc trưng bởi đường kính chiếu xạ nhỏ và độ cứng phổ lớn. Hiện tượng cứng phổ trong các cốc chiếu tráo đầu hoặc màn chắn là tất yếu do lượng Silic khi chiếu xạ đã hầu như chiếm chỗ của nước làm chậm trong cốc chiếu. Việc làm mỏng các cốc chiếu không làm mềm phổ chiếu xạ mà có thể gây nguy cơ kẹt cốc chiếu do có thể bị cong khi thao tác lắp đặt cốc chiếu tại Bẫy neutron.

Hiện tượng cứng phổ chủ yếu ở giữa cốc chiếu, gây ra hiện tượng tăng điện trở suất so với giá trị dự kiến. Việc này có thể khắc phục bằng cách giảm lượng mẫu Silic chiếu xạ và chèn các thỏi nhôm vào khu vực giữa của các cốc chiếu thay vì chiếu xạ Silic tại các vị trí này. Phương pháp này trên thực tế cũng đã được ứng dụng trên một số LPƯ nghiên cứu trên thế giới để đảm bảo chất 52 lượng đồng đều về điện trở suất của các mẻ Silic sau chiếu xạ.

Ảnh hưởng của thông lượng neutron nhanh đến điện trở suất của các mẫu Silic có thể được khảo sát chi tiết bằng cách chiếu mẫu trên các kênh chiếu xạ khác nhau trên LPƯ Đà Lạt. Với tỷ số thông lượng neutron nhiệt/nhanh khác nhau của các kênh chiếu xạ này, kết hợp với việc đo đạc điện trở suất và phân tích mạng tinh thể từ nhiều phòng thí nghiệm khác nhau có thể có các kết quả định lượng đặc trưng chiếu xạ neutron nhanh trên Silic của LPƯ Đà Lạt. Tuy nhiên, việc này cần nhiều kinh phí thực hiện cũng như thời gian chiếu xạ rất dài do thông lượng chiếu xạ tại các kênh chiếu xạ thấp hơn nhiều so với Bẫy neutron hiện tại của LPƯ Đà Lạt.

Qua các thử nghiệm NTD-Si đã thực hiện, có thể kết luận phương pháp tráo đầu tuyến tính có nhiều ưu điểm hơn phương pháp màn chắn trên LPƯ Đà Lạt với các lý do sau:

• Thông lượng neutron nhiệt cao hơn, thời gian chiếu xạ ngắn hơn để đạt được cùng giá trị điện trở suất mục tiêu.

• Thời gian vận hành lò để chiếu xạ hợp lý hơn (có thể lên xuống công suất LPƯ trong giờ hành chính).

• Cốc chiếu sau khi dùng có thể tái sử dụng ngay cho các lần chiếu xạ sau mà không cần thêm thao tác hay gia công khác.

• Không phát sinh thêm thải phóng xạ (thép không rỉ) như phương pháp màn chắn.

• Thao tác lấy mẫu đơn giản do không phải lấy lớp màn chắn thép không rỉ như khi thao tác với cốc chiếu dùng màn chắn.

• Gia công cốc chiếu đơn giản, rẻ tiền. Các kênh chiếu ướt trong LPƯ Đà Lạt là hoàn toàn không phù hợp để chiếu xạ đơn tinh thể silic ở mức độ thương mại. Tuy nhiên, các điều kiện chiếu xạ trên LPƯ Đà Lạt có thể phù hợp cho các hoạt động R&D (nghiên cứu và phát triển) về pha tạp vật liệu bán dẫn. Việc kết hợp với các đơn vị có nhu cầu trong các hoạt động R&D pha tạp vật liệu bán dẫn trong và ngoài nước có thể nâng cao chất lượng thử nghiệm NTD-Si trên LPƯ Đà Lạt cũng như có những kết quả đánh giá khách quan và chính xác hơn.

Quá trình thực hiện đề tài bao gồm cả tính toán lý thuyết, thực nghiệm cũng như các bước chiếu xạ thử nghiệm NTD-Si tạo ra được đội ngũ cán bộ có những hiểu biết nhất định trong lĩnh vực này. Đồng thời, kiến thức và kinh nghiệm thu được qua các bước chiếu xạ thử nghiệm NTD-Si là tiền đề trong việc triển khai ứng dụng NTD-Si có hiệu quả trên LPƯ nghiên cứu mới trong tương lai.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16593/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)